康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

新闻主题	同步发电机并联运行优点及其条件分析

 

摘要：柴油发电机组并联运行时，如果有功功率分配严重不平衡，会造成一台发电机负荷全部转移给另一台发电机，从而可能使其中一台发电机处于电动机状态，另一台超负荷运行。如果无功功率分配不均，在两发电机组之间将产生无功性质的环流，当环流太大时，会引起发电机电流过载而烧坏。有功功率或无功功率分配不均，会直接影响电站的运行安全，加强日常检查、及时排除故障，保证柴油发电机组并联稳定、安全、经济运行至关重要。柴油发电机组之间有功功率和无功功率的合理分配，是柴油发电机组组稳定并联运行的必要条件之一。文章结合多年船舶柴油发电机组修理及船舶电站调试经验，对柴油发电机组并联运行中出现的典型故障进行分析，并提出了排除故障的方法。

 

一、设备并联条件和合闸方法

 

1、并联条件

      设有一台同步发电机打算与已经对负载供电的发电机组（电网）并联，为了在投入并联时避免发生大电流冲击和发电机转轴突然受到扭力矩而损伤定子绕组端部和转轴，并联合闸需要满足一定的条件，即投入的发电机相电势瞬时值与电网电压瞬时值应始终保持相等。以上并联合闸的条件可分为四条：

① 发电机电压和母线（电网）电压的相序要一致。柴油发电机组在出厂时已明确规定了相序，并在出线端标明，可在安装接线时实现。

② 发电机的输出电压（励磁电势）与电网电压大小（幅值）相等且波形相同。前者通过调节发电机的励磁电流0来实现，后者在发电机设计制造时得以保证。

③ 发电机的电压频率和母线（电网）电压的频率要一致。可通过调整发电机的转速来实现与母线（电网）电压频率一致。

④ 发电机的输出电压与母线（电网）电压相位要相同，亦即发电机与电网的回路电势为零。可通过采用不同的并网方法，选择适当的并网瞬间来实现。

2、合闸方法

      并联合闸的方法暗灯法和灯光旋转法都可比较准确地确定刻，使合闸时无电流冲击，称为准确同步法。实际中，在需要将发电机很快投在需要将发电机很快投入并网运行时，可采用自同步法。事先校验好发电机的相序；起动发电机，使接近同步转速，励磁绕组经限流电阻短路；合上并联开关，再立即加励磁，使发电机自动牵入同步。该法操作简单，装置简单，但是合闸有电流冲击。

（1）暗灯法

      暗灯法接线图如图1所示，相量图如图2所示。判断合闸开关两端的电压差。

① 如果3个相灯都熄灭，始终，说明合闸开关两端的电压差为零，4个条件满足。

② 利用相灯来判断，即把灯泡跨接在合闸开关两端，由灯的亮暗情况来判断电压差的大小。

③ 当相序不同时，若发电机频率高于电网，则顺时针旋转；反之，则逆时针旋转。频率差越大，灯光旋转速度越快。调节方法：将发电机接到合闸开关的任何两根线对调，使相序相同。

（2）灯光旋转法

      采用暗灯法，在相序不同时，灯光出现旋转，接线图如图3所示，相量图如图4所示。通过旋转的速度和方向，可以判断发电机频率与电网频率的差别和快慢。

① 有意把相灯接在不同相的电压之间，在相序正确时使灯光旋转，这种并联合闸方法称为灯光旋转法。

② 若相序正确，则会出现灯光旋转现象，调节发电机电压，使 U_g=U_s ；调节发电机转速，使灯光旋转缓慢，说明 W_g已接近于W_s；等到不交叉的相灯，即相灯1 熄灭时，说明电压相等而且同相位；即可把发电机投入电网。

③ 若按灯光旋转法接线，而发现灯光同时亮，同时灭。则说明相序接错，需要改变发电机的相序，才能进行投入。

 

图1  同步发电机并联暗灯接线图	图2  同步发电机暗灯法相量图
图3  同步发电机灯光旋转法接线图	图4  同步发电机灯光旋转法相量图

 

二、电流大且主开关跳闸故障

 

1、故障现象

      某用户2台型号为KC90GF型康明斯发电机组（额定电压400V，额定功率90 kW，额定电流162 A，额定转速1500r/min，额定功率因数0.8）不可控相复励同步发电机负荷试验，1#柴油发电机组运行，并入2#柴油发电机组时，出现两功率因数表一个指示容性，一个指示感性，且1#发电机电流表电流瞬时达到最大量程的异常现象。并车冲击电流很大，导致1#发电机主开关跳闸，无法并车使用。

2、故障分析

      根据故障现象分析为无功功率分配不均故障。交流发电机并联运行时，无功功率是否能均匀分配，主要是与发电机组的外特性有关。

      如果发电机组外特性不相同，在发电机之间就有均衡电流产生，当2台发电机组的外特性在空载点重合时，此电流从外特性较平的发电机流向外特性较陡的发电机；对前者来讲，是一个感性电流，对后者来讲，是一个容性电流。使前者的内电势降低，后者的内电势升高，2台发电机的端电压趋向相等，均衡的结果，使前者运行在功率因数较低的一条特性上，后者运行在功率因数较高的一条特性上。如果发电机原先有无功功率输出，现在再加上这一部分的无功均衡电流，矢量相加的结果使这2台发电机的总电流不再相等，功率因数也不相等。外特性差异过大时，会造成一台发电机电流过载、主开关跳闸。为了避免出现这种情况，同容量不可控相复励发电机并联运行时通常采用励磁均压线，保证其外特性曲线斜率一致，以保持无功功率分配均衡。可控相复励发电机并联运行时，则是采用无功调差装置。

3、故障排除方法及验证

      查看随机配电板原理图，并联时2台发电机励磁绕组通过2个继电器的常开触点实现励磁均压线连接。对2台发电机分别供电检查，发现1#发电机合闸时对应的继电器动作，2#发电机合闸时对应的未动作。分析并车时2”发电机继电器常开触点不闭合，导致均压线未连通，出现上述故障。

      更换该继电器后，重新并车，工作正常，两机功率表、功率因数表、电流表指示基本一致，无功功率分配均匀，故障排除。

 

三、无功功率分配不均故障

 

1、故障现象

      某用户2台型号为KC310GF康明斯发电机组（额定电压390 V，额定功率310 kW，额定电流574A，额定转速1500 r/min，额定功率因数0.8）的无刷交流同步发电机修后进行负载试验，单机负载试验，运行参数正常，其稳态调速率和稳态电压调整率试验记录1如表1所示。

表1     柴油发电机组稳态调速率和稳态电压

 

      两台机的稳态调速率均为2.4%，稳态电压调整率均为1.79%，调速特性和调压特性一致。当并联运行时，观察配电板上的功率表，两机有功功率分配均匀，但2个功率因数表显示不均匀，指针波动较大，两电流表数值相差很大，无功功率分配超出标准范围。

2、故障分析

      该发电机调差装置原理图如图5所示。因单机稳态电压调整率及稳态调速率正常，并车时出现故障，根据原理图分析，可能故障原因如下几点。

（1）调差电流互感器输出线路接错。

      当并联运行时，为了使各台发电机无功功率分配合理，通常需将各发电机单机的外特性调整为随无功电流的增大而下垂。此时无功调差起作用，V、W相线电压经T₁'（变电器）降压，与U相电流经T₄变流，在调差电位器S上的压降叠加后形成取样电压u₀，该取样电压不仅反映发电机端电压，还反映了发电机的无功电流I_u的大小。当无功电流增大时，取样电压u。增大，通过AVR调节减小励磁电流，端电压下降，从而实现了下垂特性，当各台发电机的下垂特性一致时，无功功率分配会合理均匀。在cosφ=1、0<cosφ<1、cosọ=0（φ为功率因数）的工况下，调差装置矢量叠加如图6、图7、图8所示。

      图6表示cosφ=1的负载电流情况，调差线路接错得到取样电压u₀₂，与正确接法所得的取样电压u₀₁相比变化不大；图7表示0<cosφ<1的负载电流情况，调差线路接错得到取样电压u₀₂，与正确接法所得的取样电压u₀₁相比有所减少；图8表示cosφ=0的负载电流情况，调差线路接错得到取样电压u₀₂，与正确接法所得的取样电压u₀₁相比减少很多。由此可见，AVR检测到的取样电压将依次减少，通过AVR调节增加励磁电流，端电压上升，不能实现下垂特性，导致并联运行发电机特性不一致，无功功率分配不均，且随着功率因数的减小，无功功率分配差值加大。

（2）调差电流互感器输出线路开路。

      如无功调差电流互感器输出线路开路，调差装置测得的电压不随无功电流的变化而变化，相当于无功调差不起作用，不能实现理想的下垂特性，同样导致无功功率分配不均，只是无功功率分配差值比调差线路接错要小一些。

（3）调差电位器S开路或接触不良。

      其原理类似于调差电流互感器输出线路开路。

 

图5  柴油发电机组并联调差装置原理图	图6  COSφ=1并联调差装置矢量图
图7  0＜COSφ＜1并联调差装置矢量图	图8  COSφ=0并联调差装置矢量图

 

 

3、 故障排除方法及验证

      检查时按就简原则排查故障，首先检查调差电流互感器输出线路通断情况，线圈正常；检查输入接线端子排接线是否正确或松动，检查正常；检查调差电位器阻值是否正常、变化是否平稳，检查中发现，调整调差电位器S阻值有时变化正常、有时开路，对该电位器进行更换，将电位器整定到出厂刻度值。

      调整后进行并联运行试验，过程稳定，最大无功功率分配差值为2.4%，满足无功功率分配差值小于发电机组额定无功功率的10%的标准要求，故障排除。2台发电机组并联运行试验记录1见表2。

表2  2台发电机组并联运行试验记录1

 

四、有功功率分配不均故障

 

1、故障现象

      某用户2台型号为KC320GF康明斯发电机组（额定电压440V，额定功率320 kW，额定电流524.9 A，额定转速1800r/min，额定功率因数0.8）的柴油发电机组单机负载试验，运行参数正常，其稳态调速率和稳态电压调整率试验记录2如表3所示。

表3  柴油发电机组稳态调速率和稳态电压调整率试验记录2

      并联试验时，1#发电机组运行，并入2#发电机组时，出现2#发电机组自动抢负荷，持续上升。将1#发电机组调速器加速，又出现1#发电机组负荷持续上升，两发电机组始终无法稳定并联运行。

2、故障分析

      有功功率分配主要取决于柴油发电机组的外特性。如图9、图10所示。

（1）如果1#发电机和2#柴油发电机组的外特性均为下降特性，如图9，2台发电机稳定并联运行时，频率是一致的，2台发电机各自承担的负荷为P₁和P₂，总功率为P=P₁+P₂，频率为fi。如果负荷增加，则频率从f₁下降至f₂，2台发电机分别发出功率为P₃、P₄。如果2台柴油发电机组的外性相差很大，负荷分配也就越不均匀，即使调节柴油机油门，使2台发电机在总功率为20%时有一个分配预差也难以补偿，随着负荷的增加，还是有可能超出分配差值，从图3可以看出，外特性越是平坦，它所承担的负荷变化值越多，分配误差越有可能超出标准范围。

（2）如果1#柴油发电机组的外特性为下降特性，2#柴油发电机组的外特性为平特性，如图10。电网频率为f'，1#发电机工作点在A点，始终只承担功率P'。当负荷功率等于2P'时，2个发电机各承担一半功率。当负荷功率大于2P'时，其超过2P'的部分均由2#发电机承担。当负荷功率处于P'~2P'之间时，2#发电机只承担总功率减去P'后剩下来的、小于P'的功率。当负荷功率等于P'时，2#发电机不承担任何功率，它的工作点在B点。如果负荷功率进一步减少，2#发电机要转入电动机工作状态运行。

（3）如果2台柴油发电机组的外特性均为平特性，当这二条特性不重合时，就找不到共同运行点，即使重合，负荷也无法以一个明确的比例来分配，即使调节均匀，也极度不稳定，极易造成一台负荷全部转移给另一台发电机，而使其中一台处于电动机状态，逆功率保护动作，自动退出并联运行。为了使发电机有功功率均匀分配，柴油发电机组应满足下列3个要求：

① 各台柴油发电机组外特性应尽量一致，并且是下降特性；

② 外特性的线性度要好，并尽可能成一直线；

③ 负荷增加时的外特性和负荷减小时的外特性应尽量一致。

      通过单机试验记录观察，判断本次故障主要原因是2台柴油发电机组稳态调速率为0%，调速特性太平造成。需对柴油发电机组的特性曲线进行调整，使调速特性呈下降并尽量一致。

 

图9  柴油发电机组功率下降特性

图10  柴油发电机组功率平特性

 

3、故障排除方法及验证

（1）启动1#柴油发电机组，空载时调整柴油发电机组调速器，将转速调整为1803 r/min，合闸后带额定负荷、功率因数调整为0.8，将转速调整为1773 r/min。

（2）启动2#柴油发电机组，空载时调整原动机调速器，将转速也调整为1803r/min，合闸后带额定负荷、功率因数调整为0.8，将转速也调整为1773 r/min。

      两机的稳态调速率均为1.7%。调整后进行并车试验，并联运行稳定，最大有功功率分配差值为3.1%，满足有功功率分配差值小于发电机组额定有功功率的15%标准要求，故障排除。2台发电机组并联运行试验记录2如表4所示。

表4    2台发电机组并联运行试验记录2

 

总结：

      柴油发电机组试验过程中一般先进行单机试验，为了满足并联运行有功功率和无功功率分配差值要求，单机时应尽量调整好柴油发电机组的稳态调速率和发电机的稳态电压调整率，使需要并联运行的发电机组的调速特性和调压特性尽量一致，并均呈现下降趋势。在并车调试过程中若出现有功功率、无功功率分配不均现象，一般在并车过程中通过调整柴油机调速器和发电机调差电位器进行有功功率和无功功率调整。此阶段调整时，单机的稳态调速率和稳态电压调整率会发生变化，此时要检查发电机组单机特性是否也满足标准要求，并做好记录。无论发电机单机运行还是并联运行，若发电机的功率因数、电流值、电压异常，掌握发电机特性要求，查清励磁系统中各个元器件的作用以及工作原理，是保证排除故障的基础，特别在日常检修和保养中，不能随意调整电阻值，且接线端子不能随意颠倒。

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